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雪峰山隧道施工監控量測與圍巖穩定分析

時間:2013-05-27 22:06來源:重慶交通科研設計院 作者:林 勇 點擊:
本文介紹了雪峰山隧道現場監控量測的項目和方法,分析了典型斷面施工中的圍巖穩定性,判斷圍巖穩定程度和支護結構的狀態,對圍巖變形和應力的分布特征進行了探討。
  

1、工程概況

雪峰山隧道為上下行分離的雙洞隧道,左線隧道全長6946m,右線隧道全長6956m,為邵懷高速公路上最大的控制工程,隧道的開通可縮短公路里程約30km,隧道進口(邵陽端)距邵陽市洞口縣江口鎮約3km,位于懷化市洪江市塘灣鄉蘭家村,出口(懷化端)位于洪江市鐵山鄉小溪村,隧道穿過的山體為單脊山峰―中間最高,兩端逐漸變低,隧道最大埋深約850m。雪峰山隧道左右洞室凈距在洞口段控制在15~20m左右,洞身深埋地段控制在35m左右。左右線隧道縱坡均為人字坡:進口段為+1.14%的上坡,長約400m,其余地段為-0.95%的下坡。

隧道橫穿雪峰山主脈,屬侵蝕深切中山地貌,隧道與山脊線近于正交。東側山坡整體坡度約22°,西側山坡整體坡度約27°,兩側山坡略呈臺階狀,主要溪溝有5條,大致與隧道軸線平行或小角度斜交。坡面植被發育,以喬木為主。

隧道主要地層巖性為:亞粘土分布在較平緩的地段,碎石、塊石土在山坡上及小的溪溝中廣泛分布,漂石土主要分布在5條主溪溝中,灰綠色,中~厚層狀或塊狀硅化砂質板巖,變質砂巖分布于隧道內,巖石堅硬,構造片巖、構造角礫巖、糜棱巖、構造石英巖、碎裂巖分布于斷層帶中。隧道區內地下水主要為孔隙水、基巖裂隙水、構造裂隙水,主要受大氣降水補給,除全~弱風化基巖及構造帶的局部為弱透水,大部分為微透水層或不透水。

隧道區有山頂倒轉背斜、王公店―鍋塘沖復式向斜兩個大的褶皺,規模較大的斷層共有8條,對隧道有影響的共有5條,均為逆斷層,主要有五組節理,其中四組與隧道軸線平行或大角度相交的剪節理,延伸長度大,一組與隧道平行或小角度相交的張節理,將影響隧道圍巖的穩定性。

2、量測項目

監控量測可以及時提供地下結構的變形和受力情況等信息,判斷施工工藝的可行性、設計參數的合理性,提出更加恰當的施工方法和合理的支護措施,實現隧道信息化動態施工控制,達到既能安全快速施工,又能節省工程造價的目的。根據規范要求,結合雪峰山隧道施工的實際工程情況,開展了以下的現場監控量測工作:

必測項目:(1)地質和支護觀察、(2)周邊收斂量測、(3)拱頂下沉量測、(4)錨桿內力量測。必測項目量測方法簡單,量測密度大,量測信息直觀可靠,貫穿在整個施工過程中。

選測項目:(1)地表下沉量測、(2)圍巖內部位移量測、(3)圍巖與噴射混凝土間接觸壓力量測、(4)噴射混凝土與二次襯砌間接觸壓力量測、(5)噴射混凝土內應力量測、(6)二次襯砌內應力量測、(7)鋼支撐內力量測。埋設選測項目斷面遵循的原則是①地質惡劣,節理裂隙發育,巖石破碎;②圍巖類別漸變;③隧道埋深較淺;④偏壓嚴重;⑤斷層破碎帶;⑥施工方案變更時所處斷面。以便更深入地掌握圍巖穩定狀態與支護效果,對支護措施有效監控,作出安全性評價,指導施工。

 

 


 

1. 必測項目測點布置圖                 2. 選測項目測點布置圖     

現場監控量測工作根據隧道工程的實際進展開展,在隧道的施工中,及時根據圍巖的變化情況埋設量測斷面,尤其對圍巖穩定性差、易發生塌方事故的地段,在同一斷面埋設選測和必測項目,便于各量測項目進行相互對照、印證,全面分析圍巖的變形和支護結構的受力情況,對圍巖和支護結構的穩定性作出準確的判斷。量測斷面的埋設根據實際的工程進展和工程情況進行,如雪峰山隧道左線進口,考慮到該段為淺埋偏壓地段,洞內開挖對圍巖的擾動很大,圍巖和支護結構的穩定性很差,極易發生塌方事故,因此對地表下沉量測斷面進行了適當的加密,該段共埋設了3個地表下沉量測斷面。

3、數據采集和分析

為保證量測數據采集的真實可靠及連續性,采取了以下措施:量測儀器專人保管;量測設備、傳感器等各種器件校準合格后方可投入使用;在監測過程中嚴格遵守實施細則;量測數據的存儲計算管理均采用計算機系統進行;現場量測的測點埋設、數據采集,圍巖及相關信息采用專門表格記錄,全部實行表格化管理等。

現場監控量測人員按規范和監控量測大綱規定的頻率堅持每天到洞內采集數據和進行地質跟蹤調查,如發現量測數據出現異常變化或圍巖地質情況變差,則及時分析引起變化的原因并通知有關各方,使問題得到及時處理,同時量測頻率在規范規定的基礎上增加。

監控量測數據分析和處理采用自行開發的專門用于隧道圍巖監控量測的軟件:“隧道圍巖監控量測數據管理系統”,該系統采用數據庫技術實現了對監控量測數據的儲存和管理,保證了數據的完整和準確性,系統具有查詢、添加、修改、刪除數據等功能,能夠生成應力、變形隨時間、空間變化而形成的時間效應、空間效應曲線,全面分析隧道施工中的時間效應和空間效應,同時對深孔量測項目生成圍巖內部分布圖,判斷出圍巖內部的松動范圍,圍巖內部變位的分布情況,支護結構的受力狀況,為確定正確的施工方案提供依據,對隧道分步開挖圍巖穩定情況和支護的受力情況進行分析,及時預報圍巖軟弱段的變形發展趨勢。

隧道圍巖監控量測數據管理系統所生成的時間空間效應曲線和深孔量測項目圍巖內部分布圖,在一張圖紙上綜合反映了量測斷面樁號、量測斷面隧道埋深、施工方法、工程進度、測點位置等信息,能夠全面地分析隨著時間的推移和掌子面的向前推進,量測斷面的圍巖變形和支護結構受力的大小和發展趨勢,準確判斷圍巖和支護結構的穩定性,圍巖內部的松動范圍,對每一個斷面的各量測項目分別進行分析,判斷變形和應力是已趨于穩定或是有繼續發展的趨勢,給出一個明確的判斷,對隧道施工起到了積極的指導作用。

4、典型斷面圍巖穩定性分析

4.1 ZK95+893斷面

ZK95+893斷面量測位于F8斷層破碎帶和沖溝淺埋段內,斷面巖性為灰色、褐黃色薄~中層狀含砂泥質板巖,巖石板理發育,巖石質軟,破碎,局部為褐灰色粘土層,粘土固結差、松散,斷面巖石自穩能力極差,易掉塊或坍塌。破碎帶中角礫巖和節理裂隙發育,角礫巖成分為砂巖,角礫形狀呈扁平狀、次園狀等,裂隙面光滑、平直,見泥質充填物。

施工采用上下導坑法開挖,其中上導坑預留核心土、弧形導坑法開挖。主要支護參數如為:1、初期支護:(1C20噴射混凝土厚26cm。(2)Ⅰ18工字鋼鋼拱架,間距75cm。(3D25中空注漿錨桿,L=300cm,間距75cm(縱)x100cm(環),按梅花形布置。(4)Ф8雙層鋼筋網,間距20cmx20cm2、二次襯砌:C25鋼筋混凝土砼厚45cm。地表采用砂漿錨桿加固,洞內輔助施工措施采用超前長管棚。

地表下沉:其變化曲線呈現出一定的規律性,從時間空間變化曲線進行分析,總體上分三個階段(1)緩慢增長階段,從洞內開挖逐步靠近本量測斷面開始,直到開挖面距離本量測斷面為5m,平均變形速率在0.061~0.194mm/d之間;(2)快速增長階段,從開挖面距離本量測斷面5m開始,直到開挖面離開本量測斷面10m,平均變形速率在0.925~4.93mm/d之間,該階段下沉完成總下沉量的85%以上;(3)緩慢增長---逐漸趨穩階段,為開挖面離開本量測斷面10m以后,平均變形速率在0.15~0.35mm/d之間之間。5個測點的地表下沉穩定值分別為:44mm60mm64mm37mm16mm,呈現出明顯的左側下沉大、右側下沉小的狀態,與本地段偏壓的狀態吻合。   

 

 

 


 

 


3.ZK95+893斷面地表下沉曲線圖          4.ZK95+893斷面噴砼內部應力曲線圖  

拱頂下沉:本斷面的拱頂下沉波動較大,三個測點的變化趨勢基本一致,測點埋設初期,在左側偏壓的作用下,拱頂下沉測點先向上移動,三個測點的最大量測值分別為-2mm-7mm-9mm,上臺階開挖面逐漸遠離本斷面后,測點逐漸向下移動,穩定下沉值分別為6mm2mm-2mm,圍巖變形較小,處于比較穩定的狀態。

周邊收斂:拱腰的周邊收斂逐漸增大,總體上分兩個階段,上臺階開挖初期,拱腰的周邊收斂增加速度較快,后逐漸減緩,下臺階開挖時,拱腰的周邊收斂又短暫地有所增加,其穩定收斂值為12.4mm,邊墻的的周邊收斂量測值很小。

接觸壓力:圍巖與噴射混凝土接觸壓力呈中間大兩側小地狀態,拱頂測點的接觸壓力最大,接觸壓力達到0.433Mpa30天后則趨于穩定,噴砼與二次襯砌接觸壓力很小,處于穩定狀態。

內部應力:噴射混凝土內部應力呈現出左側受拉右側受壓的狀態,與本斷面左側埋深大右側埋深小,呈偏壓狀態吻合,真實地反映了的結構的真實受力狀態。其中右側拱腰的噴射混凝土內部應力較大,測點埋設初期增加較快,量測20天后受力趨于穩定,其穩定量測值為1.9Mpa,二次襯砌內部應力較小,量測值小于0.4Mpa

鋼支撐內力:拱頂測點的鋼支撐內力最大,測點埋設后的變化很快,30天后拱頂測點的鋼支撐內力已逐漸趨于穩定,穩定量測值為21KN,其余測點的量測值很小。

圍巖內部位移:本斷面的圍巖內部位移較大,表明隧道施工開挖對圍巖有所擾動,其中左側拱腰圍巖壁面和圍巖內部0.7m處的位移最大,量測值分別為10mm8.5mm,均為向隧道內空移動,右側拱腰圍巖內部2.1m處的位移最大,量測值為6mm,為向隧道外移動,分析表明在偏壓的作用下,圍巖和隧道結構有向右移動的現象。

錨桿軸力:本斷面的錨桿軸力以受壓為主,基本上都呈現出往圍巖內部軸力逐漸減小的狀態,穩定量測值均小于8KN,分析表明錨桿的作用尚未充分發揮出來,因此,可適當增加錨桿的長度。

4.2 YK96+690斷面

本斷面位于雪峰山隧道邵陽端涌水處治地段,該段裂隙水很大,呈股狀、線狀的涌水點多達幾十處。施工采用全斷面法開挖。采用局部注漿堵水、排堵結合。

斷面巖石為深灰色厚層狀硅化砂質板巖,巖石板理發育,板理厚0.3~0.7cm,巖石堅硬、性脆、完整性好,自穩能力強。斷面內節理較發育,裂隙不發育,節理與開挖方向斜交或垂直。

拱頂下沉:本斷面的拱頂下沉不大,量測值緩慢增大,左側、拱頂、右側點的量測值分別為2.9mm2.54mm2.45mm

周邊收斂:本斷面的周邊收斂值緩慢增大,拱腰、邊墻的量測值分別為1.9mm1.71mm,本斷面的周邊收斂已穩定。

接觸壓力:本斷面的圍巖與噴射混凝土接觸壓力值很小,各測點的接觸壓力均小于0.1MP,且變化不大,從接觸壓力的時間空間曲線分析,本斷面的接觸壓力已穩定。噴混凝土與二次襯砌接觸壓力很小,均小于0.1MPa,處于穩定狀態。

內部應力:二次襯砌內部應力不大,其中左側邊墻、左側拱腰和右側邊墻的二次襯砌內部應力為拉力,最大值為0.4Mpa,拱頂和右側拱腰為壓力,內部應力最大值為0.24Mpa的壓力,二次襯砌內部應力基本穩定。

圍巖內部位移:本斷面左側邊墻的圍巖為向隧道外移動,其中圍巖內部1.4m2.1m處的位移最大,量測值分別為1.9mm1.6mm,左側拱腰的圍巖也是向隧道外移動,圍巖內部1.4m處的位移最大,量測值為8.9mm,其余測點的量測值小于6mm,右側邊墻的圍巖位移較大,其中圍巖內部1.4m處的位移最大,達到5.2mm,為向隧道外移動,其余測點的量測值小于4mm,從量測成果分析,圍巖松動范圍在1.4~2.1m,圍巖主要向隧道外移動,表明注漿加固發揮了作用。

 

  

 

 


5.YK96+690左側拱腰圍巖內部位移曲線圖        6.ZK97+195拱頂下沉曲線圖

4.3 ZK97+195斷面

斷面巖石為深灰色中~厚層狀變質硅化細砂巖,巖石變余砂狀結構明顯,巖石堅硬、性脆,較完整,自穩能力較強,拱頂右側易掉塊,局部見滴水。斷面內節理裂隙較發育,裂隙為壓性裂隙,裂隙面寬0.5~1.25cm,較光滑、平直,裂隙內充填物為后期充填的石英形成石英脈和泥質等。施工采用全斷面法開挖。

拱頂下沉:本斷面的拱頂下沉值緩慢增大,左側、拱頂、右側點的量測值分別為2.16mm2.36mm2.3mm,從時間空間曲線分析,本斷面的拱頂下沉已經穩定。

周邊收斂:本斷面的周邊收斂值呈緩慢增大的狀態,拱腰、邊墻的量測值分別為1.4mm0.84mm,從時間空間曲線分析,本斷面的周邊收斂已經穩定。

5、結論

通過對雪峰山隧道各種圍巖類型典型斷面的穩定性分析,得出以下結論:

1)雪峰山隧道進口淺埋偏壓段的支護措施和施工方法是恰當的,支護結構形成了比較穩定的承載拱,洞內變形較小,圍巖處于穩定狀態。

2)通過對現場監控量測數據的分析,得到圍巖變形的初步發展規律和分布特征。

3)隨著隧道施工進入深埋地段,圍巖巖性較為單一,巖石堅硬、完整,自穩能力較強,圍巖變形很小,鑒于工期很緊,應根據圍巖實際情況適時加快施工進度。    4)通過現場監控量測可以準確地判斷施工中圍巖和支護結構的穩定性,避免塌方事故的發生,實現了隧道信息化動態施工控制,達到了安全快速施工、節省工程造價的目的。

 

 

[1]公路隧道施工技術規范(JTJ042-94)·人民交通出版社·1995

[2]湖南省邵陽至懷化高速公路招標文件第十五合同段隧道分冊·中交第二公路勘察設計研究院

[3]湖南邵懷高速公路隧道監控量測第二合同段階段報告·重慶交通科研設計院湖南邵懷高速公路隧道監控量測項目部

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